【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
【産業上の利用分野】[Industrial application field]
この発明は、大電力高周波の発振及び増幅を目的とする
高周波素子に関する。The present invention relates to a high-frequency element for the purpose of oscillating and amplifying high-power high-frequency waves.
【従来の技術】[Conventional technology]
大電力、高周波を発振し増幅する高周波素子としてイン
バットダイオード、或はバリットダイオードがある。
インバットダイオードの代表的な例は、第１図に示すよ
うにｎ” （又はｐ１）型半導体領域とｐ（又はｎ）
型半導体領域とｐ″ （又はｎ”）型− １ −
半導体領域とが、それらの順に積層され、両端の半導体
領域のそれぞれに電極を形成した構造を持つダイオード
である。
ｎ“ （又ｐ＋）型半導体領域側を正（又は負）とする
逆バイアス電圧を印加せしめた場合、ｐ（又はｎ）型領
域の近傍に電荷なだれが生じ負性抵抗領域が発生するの
で、これに基づきマイクロ波発振が得られるというもの
である。また金属と半導体領域との間のショットキー接
合を利用した素子もある。
一方、バリットダイオードは金属とｐ（又はｎ）型半導
体領域と金属がそれ等の順に積層された構造を持つ。金
属と半導体層との間はショットキー接合になっている。
インバットダイオードと同様電極間に逆バイアスを印加
せしめた場合、半導体領域に少数キャリアが注入され、
これに基づきマイクロ波発振が得られるというものであ
る。またｐｎ接合を利用した素子もある。
いずれの素子も材料はＳｔ１ＧａＡｓ等でありこれ以−
２−
の材料が使われることは少ない。
以上の高周波素子ではマイクロ波発振の動作時、多量の
熱が半導体領域に発生する。このためマイクロ波発振の
動作時に発生する熱を効率的に外部に放散できなければ
、安定した発振が困難となる。
このため素子の様々な冷却方法が工夫されている。最も
一般的な方法としては、熱容量の大きな材料をヒートシ
ンクとして素子全体を挟む構造をとることにより、内部
に発生する熱をヒートシンク材に伝導する。
しかし、従来のＳ｛或はＧａＡｓ等の半導体材料で素子
を形成した場合、これらの半導体材料は比較的熱伝導率
が低いため、内部で発生した熱が速やかにヒートシンク
材に伝導しない。
このため大電力を投入すると、素子が過熱され破壊され
るに至る。このため発振出力が低く制限されていた。
さらに素子とヒートシンクの接合に関しても、その接合
面で無視できない熱抵抗が形成される。
ヒートシンクによっても、素子の熱放散が十分に行われ
ないため、素子の発振出力が制限されるという難点は解
決されない。
また半導体材料固有の絶縁破壊電圧及び半導体内のキャ
リア移動度の制約から素子の出力並びに最大周波数にも
制限があった−
Ｓｔ、ＧａＡｓともに絶縁破壊電圧が低い。これが低い
と大きい電圧を掛けることができない。このため高出力
の発振を得ることができない。
また飽和電子移動度についてもＳ１もＧａＡｓも１×１
０７ｃｍ／ｓ程度で数百ＧＨｚの高出力の発振には充分
でない。
本発明は、このような難点を解決し高周波、高出力の発
振及び増幅が可能な素子を提供する事を目的とする。A high-frequency element that oscillates and amplifies high-power, high-frequency waves is an invat diode or a barit diode. A typical example of an invat diode is an n'' (or p1) type semiconductor region and a p (or n) type semiconductor region, as shown in Figure 1.
The diode has a structure in which a p″ (or n″) type semiconductor region and a p″ (or n″) type −1− semiconductor region are stacked in that order, and electrodes are formed on each of the semiconductor regions at both ends. When a reverse bias voltage is applied that makes the n" (or p+) type semiconductor region side positive (or negative), a charge avalanche occurs near the p (or n) type region and a negative resistance region is generated. Based on this, microwave oscillation can be obtained.There are also devices that utilize a Schottky junction between a metal and a semiconductor region.On the other hand, a ballit diode is a device that uses a Schottky junction between a metal and a p (or n) type semiconductor region and a metal. are stacked in that order.A Schottky junction is formed between the metal and the semiconductor layer.When a reverse bias is applied between the electrodes, similar to an invat diode, minority carriers are generated in the semiconductor region. injected,
Based on this, microwave oscillation can be obtained. There are also elements that utilize pn junctions. The material of both elements is St1GaAs, etc.
2- Materials are rarely used. In the above-described high-frequency element, a large amount of heat is generated in the semiconductor region during microwave oscillation operation. Therefore, unless the heat generated during microwave oscillation is efficiently dissipated to the outside, stable oscillation becomes difficult. For this reason, various methods of cooling the device have been devised. The most common method is to use a material with a large heat capacity as a heat sink and sandwich the entire element between them, so that the heat generated inside is conducted to the heat sink material. However, when an element is formed using a conventional semiconductor material such as S{ or GaAs, these semiconductor materials have relatively low thermal conductivity, so the heat generated inside the device is not quickly conducted to the heat sink material. For this reason, if a large amount of power is applied, the element will overheat and be destroyed. For this reason, the oscillation output has been limited to a low level. Furthermore, regarding the bonding between the element and the heat sink, a non-negligible thermal resistance is formed at the bonding surface. Even with a heat sink, the problem of limiting the oscillation output of the device cannot be solved because heat dissipation from the device is not sufficient. Furthermore, there are limits to the output and maximum frequency of the device due to the dielectric breakdown voltage inherent to the semiconductor material and the carrier mobility within the semiconductor. Both St and GaAs have low dielectric breakdown voltages. If this is low, a large voltage cannot be applied. For this reason, high output oscillation cannot be obtained. Also, regarding the saturation electron mobility, both S1 and GaAs are 1×1
0.7 cm/s, which is not sufficient for high-output oscillation of several hundred GHz. An object of the present invention is to solve these difficulties and provide an element capable of high-frequency, high-output oscillation and amplification.
【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]
本発明の高周波素子は、電荷なだれを利用する金属層及
び半導体層を有する高周波素子において、動作層となる
半導体層が半導体ダイヤモンド層である事を特徴とする
ものである。
先に述べた本発明の目的は、金属層及び半導体層を有す
る高周波素子において、動作層となる半導体層がｐ型又
はｎ型の半導体ダイヤモンド層で構成することによって
達成される。
本発明の高周波素子は、放熱効果の点および格子整合の
点から天然又は人工合成されたダイヤモンドからなる基
板を有することが望ましい。 この基板は絶縁性である
ことが好ましいが、第一層がｎ型（又はｐ型）半導体ダ
イヤモンドである場合ｐ型（又はｎ型）半導体ダイヤモ
ンド基板であっても良い。
構造はインバットダイオード、バリットダイオード等任
意である。
第１図に示すようなインバットダイオードとして作るこ
ともできる。この場合はｎ１層、低ドープ層、ｎ層、ｐ
層というように積層する。勿論両端には電極をつける。
そして電圧を逆バイアスの方向に印加する。
第４図に示すように、バリットダイオードとして作るこ
ともできる。この場合は半導体ダイヤモー５−
ンド層を電極で挟む構造とし、一方の電極との結合をシ
ロットキー接合とする。この接合を逆バイアスする方向
に電圧を印加する。
半導体ダイヤモンド層としては、ｐ型にするためには例
えばＢをドーピングする。ｎ型にするためには例えばＰ
をドーピングする。The high frequency device of the present invention is a high frequency device having a metal layer and a semiconductor layer that utilizes charge avalanche, and is characterized in that the semiconductor layer serving as an active layer is a semiconductor diamond layer. The above-mentioned object of the present invention is achieved in a high frequency device having a metal layer and a semiconductor layer, in which the semiconductor layer serving as the active layer is composed of a p-type or n-type semiconductor diamond layer. The high frequency element of the present invention preferably has a substrate made of natural or artificially synthesized diamond from the viewpoint of heat dissipation effect and lattice matching. This substrate is preferably insulating, but may be a p-type (or n-type) semiconductor diamond substrate if the first layer is an n-type (or p-type) semiconductor diamond. The structure may be arbitrary, such as an invat diode or a barit diode. It can also be made as an invat diode as shown in FIG. In this case, the n1 layer, lightly doped layer, n layer, p
Stacked in layers. Of course, attach electrodes to both ends. Then, a voltage is applied in the reverse bias direction. It can also be made as a barit diode, as shown in FIG. In this case, the structure is such that the semiconductor diamond layer is sandwiched between electrodes, and the connection to one electrode is made by a Sirotto key junction. A voltage is applied in a direction that reverse biases this junction. The semiconductor diamond layer is doped with, for example, B in order to make it p-type. For example, to make it n-type, P
to dope.
【作 用】[For production]
ダイヤモンド履を動作層とするダイオードに逆バイアス
電圧を印加する。動作の原理はＳｉ、ＧａＡｓダイオー
ドの場合と同じである。例えばインバットダイオードの
場合は、ｐ＋層とｎ層の間に大電圧が印加されるので電
荷なだれが起きる。これが低ドープ層をドリフトする。
電荷なだれの遅れと、走行の遅れにより負性抵抗が生ず
る。高周波領域でのマイクロ波発振が可能になる。
動作層にシロットキー接合を用いた場合は、金属電極と
半導体ダイヤモンド層の間に大電圧が掛かり電荷なだれ
が生じマイクロ波の発振、増幅がなされる。
このような発振増幅作用は従来のものと同じで一〇一
ある。バリットダイオードの場合は、接合障壁を越えて
流れる電荷によって、マイクロ波の発振、増幅がなされ
る。
次にＳｔ１ＧａＡｓダイオードとの違いについて説明す
る。
ダイヤモンドは、バンドギャップが５．５ｅＶと大きい
ため（Ｓｔ １．１ｅＶ ， ＧａＡｓ １．４ｅ
Ｖ ） 、真性領域に相当する温度領域は、ダイヤモン
ドが熱的に安定な１４００゜Ｃ以下には存在しない。こ
のため温度を上げても低ドーピング層のキャリャが熱的
に励起されて増えるということがなく、逆バイアスによ
る電荷なだれが高温でも生ずる。つまり高温でもマイク
ロ波の発振増幅ができるのである。
またダイヤモンドは化学的にも非常に安定である。
従って、ダイヤモンドを作製したデバイスは高温での動
作が可能となり、耐環境性の優れたものとなる。
また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０ （ Ｗ／ｃｍ・
゜Ｋ）とＳ１の１０倍以上であり、放熱性にも優れてい
るさらに、ダイヤモンドは、キャリアの移動度が大きい
（電子移動度： ２０００ Ｃｍ２／ Ｖ・秒、ホール
移動度： ２１００ ｃｍ２／ Ｖ・秒、３００゜Ｋ）
、飽和電子移動度が大きい（２Ｘ１０７ｃｍ／ｓ ）
Ｎ誘電率が小さい（Ｋ＝５．５ ） 、破壊電界が大き
い（Ｅ＝５Ｘ１０８Ｖ／ｃｍ）などの特徴を有しており
、高周波で大電力用のデバイスを作製する事ができる。
マイクロ波素子の高周波における発振出力のパワーは、
絶縁破壊電圧と飽和電子移動度の積の２乗に比例する。
ダイヤモンドの絶縁破壊電圧が、Ｓｌ、ＧａＡｓの約１
０倍、飽和電子移動度が約２倍であるので、出力パワー
は約４００倍になりうる。
マイクロ波素子の低周波に於ける発振出力のパワーは熱
伝導度に比例する。ダイヤモンドの熱伝導度はＳｌ、Ｇ
ａＡｓなとの約１０倍であるので低周波における出力パ
ワーも約ＩＯ倍大きくなる。
更に、ダイヤモンドは、不純物を含まないと絶縁体であ
るという特徴も有しているため、素子を作製する際、基
板として用いるダイヤモンドと動作層のダイヤモンドと
を電気的に完全に分離できるという利点がある。A reverse bias voltage is applied to a diode whose active layer is a diamond shoe. The principle of operation is the same as for Si and GaAs diodes. For example, in the case of an invat diode, a large voltage is applied between the p+ layer and the n layer, causing a charge avalanche. This causes the lightly doped layer to drift. Negative resistance occurs due to the delay in charge avalanche and the delay in travel. Microwave oscillation in the high frequency range becomes possible. When a Sirotchi junction is used in the active layer, a large voltage is applied between the metal electrode and the semiconductor diamond layer, causing a charge avalanche, which oscillates and amplifies microwaves. This type of oscillation amplification effect is the same as the conventional one. In the case of a bullet diode, microwave oscillation and amplification are performed by electric charge flowing across the junction barrier. Next, the difference from the St1GaAs diode will be explained. Diamond has a large band gap of 5.5eV (St 1.1eV, GaAs 1.4e
V), the temperature range corresponding to the intrinsic range does not exist below 1400°C, where diamond is thermally stable. Therefore, even if the temperature is raised, carriers in the low doping layer are not thermally excited and increase, and a charge avalanche due to reverse bias occurs even at high temperatures. In other words, microwave oscillation can be amplified even at high temperatures. Diamond is also chemically very stable. Therefore, devices made of diamond can operate at high temperatures and have excellent environmental resistance. Also, the thermal conductivity of diamond is 20 (W/cm・
°K) is more than 10 times that of S1, and has excellent heat dissipation properties.Furthermore, diamond has high carrier mobility (electron mobility: 2000 cm2/V・sec, hole mobility: 2100 cm2/V・Seconds, 300°K)
, high saturated electron mobility (2X107cm/s)
It has characteristics such as a small N dielectric constant (K = 5.5) and a large breakdown electric field (E = 5 x 108 V/cm), making it possible to fabricate high-frequency, high-power devices. The power of the oscillation output at high frequency of the microwave element is
It is proportional to the square of the product of breakdown voltage and saturated electron mobility. The dielectric breakdown voltage of diamond is about 1 that of Sl and GaAs.
Since the saturated electron mobility is about 0 times and about 2 times, the output power can be about 400 times. The power of the oscillation output at low frequency of a microwave element is proportional to the thermal conductivity. The thermal conductivity of diamond is Sl, G
Since it is about 10 times that of aAs, the output power at low frequencies is also about IO times larger. Furthermore, diamond has the characteristic that it is an insulator unless it contains impurities, so when manufacturing devices, it has the advantage that the diamond used as the substrate and the diamond in the active layer can be completely electrically separated. be.